[論文レビュー] Non-linear dynamics and inner-ring photoluminescence pattern of indirect excitons

Mathieu Alloing, A. Lemaı̂tre+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2012

Semiconductor Quantum Structures and Devices被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、光学励起下における二重量子井戸ヘテロ構造内の超低温間接励起子における内側リング型光励起放射の起源を調査する。高時間分解能空間的・分光的分光法を用いて、著者らは内側リングが励起子の局所的レーザー加熱に起因すること、イオン化とは無関係であることを示した。励起子密度はモット転移臨界密度以下であり、これはスーパーラティスを用いてゲートに起因する電場フラクチュエーションを抑制することで確認された。これにより、正確な密度推定が可能となった。

ABSTRACT

We study the photoluminescence dynamics of ultra-cold indirect excitons optically created in a double quantum well heterostructure. Above a threshold laser excitation, our experiments reveal the apparition of the so-called inner photoluminescence ring. It is characterized by a ring shaped photoluminescence which suddenly collapses once the laser excitation is terminated. We show that the spectrally resolved dynamics is in agreement with an excitonic origin for the inner-ring which is formed due to a local heating of indirect excitons by the laser excitation. To confirm this interpretation and exclude the ionization of indirect excitons, we evaluate the excitonic density that is extracted from the energy of the photoluminescence emission. It is shown that optically injected carriers play a crucial role in that context as these are trapped in our field-effect device and then vary the electrostatic potential controlling the confinement of indirect excitons. This disruptive effect blurs the estimation of the exciton concentration. However, it suppressed by smoothing the electrostatic environment of the double quantum well by placing the latter behind a super-lattice. In this improved geometry, we then estimate that the exciton density remains one order of magnitude smaller than the critical density for the ionization of indirect excitons (or Mott transition) in the regime where the inner-ring is formed.

研究の動機と目的

• 間接励起子における内側リング型光励起放射パターンの起源に関する長年の論争を解決すること。
• 電界効果素子における電気的環境の歪みが光励起キャリアによって引き起こされることによる、励起子密度推定の不正確さという課題に対処すること。
• 制御された条件下での分光的ダイナミクスとエネルギーシフトを測定することで、内側リングの熱的起源を検証すること。
• スーパーラティス構造がキャリア誘起ポテンシャルフラクチュエーションを効果的に抑制でき、信頼性のある励起子密度測定を可能にすることを示すこと。
• 内側リングがイオン化の前兆ではなく、局所的加熱とその後の冷却の兆候であることを確立すること。

提案手法

• 400 mKで2 nsの時間分解能を有する時間分解能、空間的・分光的分解能に優れたマイクロ光励起放射測定を実施。
• ゲート電圧を用いて励起子の閉じ込めを制御する二重量子井戸（DQW）を有する電界効果素子を用いた。
• ゲートから410 nm下に30対のGaAs/AlAsスーパーラティス（3/1 nm）を組み込み、光励起キャリアによるポテンシャルフラクチュエーションを遮断した。
• 光励起放射のエネルギーシフトを測定し、電場変動を補正した上で励起子密度を推定した。
• レーザースポット内部および外部における分光的ライン幅の変化と強度ダイナミクスを比較し、熱的効果とイオン化効果を区別した。
• 空間的に平均化された分光解析を実施し、励起力および時間の関数としてエネルギーシフトとライン幅の変化を追跡した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レーザーパルス終了時に内側リング型光励起放射に見られる急激な強度上昇および分光的ライン幅の狭小化は、何に起因するか？
• RQ2 内側リングパターンは、間接励起子の局所的加熱に起因するのか、それともイオン化（モット転移）の前兆なのか？
• RQ3 ショットキー接合に捕らえられた光励起キャリアが、光励起放射のエネルギーシフトから得られる励起子密度推定の正確性にどのように影響するか？
• RQ4 スーパーラティス構造は、キャリア誘起電気的フラクチュエーションを効果的に抑制でき、信頼性のある励起子密度測定を可能にするか？
• RQ5 内側リングが形成される領域における実際の励起子密度は何か？ また、これはモット転移臨界密度と比べてどうか？

主な発見

• 内側リング型光励起放射は、レーザーパルス終了時に急激な強度上昇と迅速な分光的ライン幅の減少を示し、励起子の突然の熱的クエンチングを示している。
• レーザーパルス後10 ns以内にライン幅が約4.2 meVから約2.2 meVに減少し、熱的緩和と整合する冷却過程を示している。
• スーパーラティス素子では、最大励起パワー時における光励起放射エネルギーシフトはわずか2.8 meVにとどまり、これに対応する励起子密度は約5×10¹⁰ cm⁻²であった。
• この励起子密度は、モット転移の臨界密度のおよそ1桁低い値であり、内側リングの起源がイオン化である可能性を除外した。
• エネルギーシフトはレーザースポットからの距離が増すにつれて減少し、励起子濃度の径方向減少、つまり熱的拡張と冷却と整合的である。
• レーザーパルス後、光励起放射エネルギーは励起子クラウド全体で空間的に一様となり、スーパーラティスがキャリア誘起ポテンシャル不均一性を抑制した場合に均一な電場が維持されることを確認した。